張洪波

（海裝航空技術(shù)部 北京 100071）

基于Zigbee的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究

張洪波

（海裝航空技術(shù)部 北京 100071）

文中介紹了一種基于Zigbee技術(shù)的溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的整體設(shè)計進行了分析研究。該系統(tǒng)中的Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用了星形結(jié)構(gòu)并且運用了CC2430芯片和DS1820溫度傳感器相結(jié)合，從而實現(xiàn)了環(huán)境溫度的穩(wěn)定實時監(jiān)測，并且通過PC機對采集的溫度數(shù)據(jù)進行顯示和保存。該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、運用靈活并且低功耗的特點。

Zigbee；溫度監(jiān)測；CC2430；DS1820；傳感器

環(huán)境溫度不僅僅關(guān)系到工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，也關(guān)系到軍事領(lǐng)域，在軍事倉儲、技術(shù)陣地環(huán)境監(jiān)測中，溫度控制是主要的被控對象，環(huán)境的情況直接影響著武器裝備的技術(shù)狀態(tài)。目前溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在布線麻煩、受干擾程度強等問題。為了解決以上問題并且提高溫度監(jiān)測的精確性，本文采用了Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信和分布式信息處理技術(shù)[1]，以CC2430芯片為核心，通過DS1820溫度傳感器協(xié)同完成環(huán)境溫度的實時監(jiān)測和采集，再將信息通過無線方式傳送，并且以自組多跳的方式傳送到用戶終端PC機上進行顯示，在軍事倉庫以及技術(shù)陣地的溫度檢測中，可以實現(xiàn)監(jiān)測更加精確，安裝更加方便、靈活。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由微處理器模塊、傳感器模塊和無線接收模塊3大部分組成。其中溫度傳感器模塊和無線接收模塊是系統(tǒng)的采集節(jié)點，它主要負責(zé)采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并且進行傳送；微處理器模塊和無線接收模塊構(gòu)成系統(tǒng)的主節(jié)點，它主要實現(xiàn)建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和接收采集節(jié)點發(fā)送出的數(shù)據(jù)，并且控制溫度檢測采集，再把數(shù)據(jù)再通過PC 機的連接接口發(fā)送到PC機上，直接實現(xiàn)通過PC機進行顯示，最后在PC機中進行數(shù)據(jù)的保存和處理。圖1是溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Temperature monitoring system

2 硬件設(shè)計

ZigBee是ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體訪問空間控制層（MAC）基礎(chǔ)之上制定的一種低速無線個域網(wǎng)（LR-WPAN）技術(shù)規(guī)范。ZigBee可以根據(jù)不同的工作頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率不同，都處于較低的速率[2]；由于ZigBee技術(shù)的傳輸速率低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，所以信號的收/發(fā)時間短，并且在非工作模式時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式，低功耗；ZigBee通信延時以及從休眠狀態(tài)激活的時間非常短；成本低、可靠數(shù)據(jù)傳輸、大容量網(wǎng)絡(luò)，這些都是ZigBee所具備的特點。

ZigBee有3種拓撲結(jié)構(gòu)：星形拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和簇狀樹形拓撲結(jié)構(gòu)[3]。本設(shè)計中采用的是星形拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中所有的終端設(shè)備都與唯一的中央控制設(shè)備——PAN協(xié)調(diào)器通信，即主節(jié)點和若干個采集節(jié)點組成。PAN協(xié)調(diào)器安裝于溫度檢測控制室，直接負責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，并且將溫度數(shù)據(jù)直接通過LCD顯示，再傳送到計算機中，由操作人員進行觀察與記錄。

2.1 主節(jié)點

本系統(tǒng)采用CC2430芯片，它整合了業(yè)界領(lǐng)先的2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee RF 收發(fā)機CC2240以及工業(yè)標準的增強型8051MCU的卓越性能，還包括了8KB的SRAM、大容量閃存以及許多其他的強大特性[4]。系統(tǒng)中的MCU直接采用CC2430自帶的8051微控制器，它擴展了18個中斷源，而且每個機器周期的一個時鐘周期都與標準8051每個機器周期的12個時鐘周期相對應(yīng)，執(zhí)行指令時間比標準8051快很多，而且精簡了外部設(shè)備。CC2430芯片接LCD顯示屏，當8051接受到數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，發(fā)出中斷時LCD顯示采集的溫度數(shù)據(jù)。鍵盤輸入模塊采用的是4×4的矩陣鍵盤，該輸入模塊包含了數(shù)據(jù)輸入及功能設(shè)定按鈕。

CC2430具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力；8KBSRAM具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；強大的DMA功能；電源電壓范圍寬（2.0～3.6 V）；2個支持多種串行通信協(xié)議的USART；1個通用的16位和2個8位定時器；21個通用I/O引腳，其中2個具有20mA的電流吸收或電流供給能力；提供強大、靈活的開發(fā)工具[5-6]。

系統(tǒng)中CC2430采用內(nèi)部系統(tǒng)時鐘，用16 MHz高頻RC振蕩器，通過設(shè)置特殊功能寄存器CLKCON字節(jié)實現(xiàn)。PC機與CC2430之間采用串口通信，運用UART模式與RS232之間連接MAX232轉(zhuǎn)換器，或者可以運用串口轉(zhuǎn)USB口數(shù)據(jù)線連接與PC機。

2.2 采集子節(jié)點

溫度傳感器采用DS18B20。它具有獨特的單線接口方式，在與CC2430連接的時候只需要一條線即可實現(xiàn)雙方之間的通訊，其側(cè)量范圍為-55 ～125 ℃，固有測溫分辨率0.5 ℃；支持多點組網(wǎng)功能；測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量式串行傳送，簡化了分布式溫度傳感器的運用；無需外部元件，因為每一個DS18B20含有一個獨特的序號，所以多個DS18B20可以同時存在于一條總線上，使得溫度傳感器放置于不同地方。在本系統(tǒng)設(shè)計中，將DS18B20數(shù)據(jù)線與CC2430的I/O口相連，連接時注意在數(shù)據(jù)腳加4.7kΩ的上拉電阻。在每一個Zigbee節(jié)點處都連接溫度傳感器DS18B20監(jiān)測不同地方的環(huán)境溫度信息。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用星形拓撲結(jié)構(gòu)，一個主節(jié)點即協(xié)調(diào)器，這里運用的是CC2430自帶的8051微控制器，負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并且分配地址；溫度采集節(jié)點負責(zé)完成溫度的采集并傳送到主節(jié)點中，再由PC機顯示，主要軟件部分需完成3大部分：主節(jié)點、溫度數(shù)據(jù)采集與處理和數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。

圖2是主節(jié)點流程圖。主節(jié)點首先建立一個隨機的網(wǎng)絡(luò)ID號，從而網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)送請求建立新PAN，網(wǎng)絡(luò)層提供了設(shè)備加入/退出網(wǎng)絡(luò)的機制、幀安全機制、路由發(fā)現(xiàn)以及維護機制。建網(wǎng)成功之后，溫度傳感器節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)中并且被分配16位的地址，系統(tǒng)開始監(jiān)測采集信息，當接收到采集數(shù)據(jù)時，LCD進行顯示。

圖2 主節(jié)點流程圖Fig. 2 The main nodes flow chart

圖3 溫度采集節(jié)點流程圖Fig. 3 Temperature acquisition nodes flow chart

圖3為溫度采集節(jié)點流程圖。首先對整個系統(tǒng)進行初始化，再發(fā)送請求加入網(wǎng)絡(luò)信號并且等待主機分配的地址。如果加入網(wǎng)絡(luò)成功，則進入空閑狀態(tài)等待調(diào)用溫度采集程序的溫度數(shù)據(jù)的讀取，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點，從而循環(huán)進行。

PC機的管理軟件運用VC++進行編寫，為用戶提供管理和監(jiān)控系統(tǒng)的運行，很好的實現(xiàn)友好的人機界面。管理軟件主要實現(xiàn)：

1)各節(jié)點參數(shù)（溫度）信號的顯示;各節(jié)點參數(shù)（溫度）歷史記錄；2)實時、動態(tài)、直觀的顯示各控制點的溫度曲線圖;3)可以顯示報警畫面：當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，工作人員可以通過畫面直觀的看到報警信號的工號、報警類型、報警時間和當前值，點擊報警項就會切換到報警工號對應(yīng)的操作界面，工作人員可進行相應(yīng)的修改，當修改結(jié)束后報警可以通過復(fù)位鍵進行復(fù)位；4) 歷史報告畫面：可以查詢操作人員的操作記錄和操作的詳細時間，包括系統(tǒng)的啟停、各參數(shù)修改前和修改后的值等；5)數(shù)據(jù)的保存與打印。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)設(shè)計是基于CC2430和DS18B20的無線測溫裝置[7]，該系統(tǒng)精簡了外設(shè)、集成度和可靠性高、成本低、功耗低、體積小而且維護方便，采集的溫度數(shù)據(jù)及時且系統(tǒng)操作靈活、快捷。管理人員可以直接通過上位機PC機直接對系統(tǒng)進行管理和監(jiān)控，方便的查看溫度數(shù)據(jù)以及參數(shù)的設(shè)置，應(yīng)用前景廣泛。

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Design of the temperature monitoring system based on Zigbee

ZHANG Hong-bo
（Department of Aviation Technology Support of NED,Beijing100071,China）

This paper introduces a kind of temperature monitoring and control system based on Zigbee technology,and the overall design of the system is analyzed and studied. System in the Zigbee network uses star structure and the CC2430 chip and the DS1820 temperature sensor is combined, realizing stable real-time monitoring of environmental temperature, then the temperature data is displayed and saved through the PC machine. The system has the advantages of convenient installation, simple structure, flexible and low power consumption.

Zigbee; temperature monitoring; CC2430; DS1820; sensor

TN83

A

1674-6236(2014)07-0079-03

2013-08-02稿件編號201308024

張洪波(1967—)，女，北京人，高級工程師。研究方向：信息技術(shù)應(yīng)用。